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Gasturbinenanlage mit Gleichdruckverbrennung des Treibmittels Es sind
bereits Gasturbinen .bekannt, bei denen das Treibmittel aus verdichteter Luft besteht,
die beispielsweise durch Verbrennung von Brennstoff im Luftstrom erhitzt wird.
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Bei,solchen Verbrennungsgasturbinen wird im allgemeinen die erforderliche
Luft auf den gewünschten Drucke in einer von der Gasturbine getrennten Anlage, bestehend
aus einem Antriebsmotor anderer Art, beispielsweise einer Kolbenpumpe o. dgl., verdichtet.
In einigen Fällen treibt auch die Gasturbine, von deren Welle die gewonnene Leistung
entnoanmen wird, direkt oder indirekt die fragliche Pumpenvorrichtung, die nach
bekannten Vorschlägen als Kreiselverdichter ausgeführt ist. Es sind auch andere
Gasturbinenanlagen bekannt, die aus in getrennten Gehäusen untergebrachten Turbinen
bestehen, von denen die eine oder mehrere Gasturbinen Nutzleistung abgeben und eine
oder mehrere Gasturbinen einen oder mehrere Verdichter antreiben. Diese Turbinen
sind durch Treib: mittelleitungen miteinander verbunden und auf getrennten Wellen
angeordnet, und es wurde für eine derartige Anlage vorgeschlagen, das Treibmittel
in mehreren Antriebsturbinen für Verdichter zur Entspannung zu bringen; in der letzten
Dehnungsstufe sollte jedoch die Nutzleistung der Anlage herausgenommen werden. Gasturbinenanlagen
der geschilderten .Art konnten bisher nicht mit gutem Wirkungsgradbetrieben werden,
und zwar besonders. nicht bei verschiedenen Belastungen. Die gesamte von der Anlage
erzeugte Leistung wurde oft, besonders bei .anderen Belastungen als derjenigen,
für welche die Anlage berechnet ist, ausschließlich zum Antrieb der zur Anlage gehörenden
Verdichter verbraucht.
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Gasturbinenanlagen, bei denen die Turbinen in getrennten Gehäusen
untergebracht sind, und Nutzleistung abgebende Gasturbinen und eine den aus mehreren
Stufen bestehenden Verdichter antreibende Gasturbine, die auf voneinander getrennten
Wellen arbeiten, sind bekannt und auch mit Bezug auf diese Anlagen mitgeteilt worden,
daß sie Belastungsschwankungen wirtschaftlich aufnehmen konnten. Es ist ferner eine
Gasturbinenanlage seit in getrennten Gehäusen untergebrachten Turbinen bekannt,
bei der nur eine Nutzleistungsturbine und nur eine den Verdichter .antreibende Gasturbine
auf voneinander getrennten Wellen arbeiten. Diese bekannten Einrichtungen erlauben
aber nicht eine Regelung in der Weise, daß lediglich durch Beeinflussung der der
Gesamtanlage zugeführten Brennstoffmenge die Gesamtregelung der Anlage erfolgt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage
und soll es ermöglichen,
daß die Anlage mit hohem Wirkungsgrad sowohl
bei der Belastung, für die die Anlage bestimmt ist, als auch bei anderen Belastungen
arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Gasturbinenanlage erreicht, bei
der Nutz-' leistung abgebende Gasturbinen und mehrere Verdichter betreibende Gasturbinen
auf voneinander getrennten Wellen arbeiten und bei welcher keine Gasturbine, die
Nutzleistung abgibt, mit niedrigerem Gegendruck arbeitet als die den Niederdruckv
erdichter antreibende Gasturbine. Zweckmäßig wird dabei die Antriebsgasturbine des
Niederdruckverdichters hinsichtlich des Betriebsmittels zur Nutzleistung abgebenden
Gasturbine parallel geschaltet. Diese Anlage arbeitet insofern vorteilhaft, als
der Niederdruckverdichter, wenn er von einer mit niedrigem Gegendruck arbeitenden
Turbine angetrieben wird, seine Leistung gut dem jeweiligen Bedarf anpassen kann.
Es hat sich gezeigt, daß z. B. bei Verringerung der Turbinenbelastung die Hochdruckturbinen
verhältnismäßig geringer von der Belastungsänderung betroffen werden als die Niederdruckturbinen.
Das bedeutet, daß bei Änderung der Gesamtbelastung sich die Drehzahl der Niederdruckturbiue
in weiten Grenzen ändern und infolgedessen ein Niederdruckverdichter, der von einer
Gasturbine getrieben wird, welche den niedrigsten Druck in der Anlage überhaupt
aufweist, auch bei stark geänderter Liefermenge im günstigsten Drehzahlbereich arbeiten
kann.
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Es ist bekannt, daß die praktische Durchführbarkeit der Gasturbinen
des Gleichdrucksystems in hohem Maße von der Aufrecht-. erhaltung eines Mindestgesamtwirkungsgrades
abhängig ist, unterhalb dessen die Gasturbine wirtschaftlich überhaupt nicht in
Frage kommt. Es entsteht daher auch für Gasturbinenanlagen, bei welchen Nutzleistung
abgebende Gasturbinen und Verdichter antreibende Gasturbinen vorhanden sind, das
Problem, wie eine Leistungsregelung durchführbar sein kann, ohne den Gesamtwirkungsgrad
zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung gibt das Mittel an, und zwar, weil in der Anlage ihre
ganze Regelung durch die Regelung der zugeführten Brennstoffmenge erfolgen kann,
während die Luft selbsttätig den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepaßt wird,
indem der Niederdruckverdichter jeweils die nötige Luftmenge-erforderlichen Druckes
liefert. Wenn nämlich die Drehzahl der die Nutzleistung abgebenden Maschinen antreibenden
Gasturbine infolge erhöhter Belastung zu sinken droht, und man infolgedessen mehr
Brennstoff zugibt, so kommt sofort das verstärkte Treibmittel auch der Niederdruckturbine
zugute, die daher den Niederdruckverdichter mit höherer Drehzahl antreiben kann.
Ist die Antriebsturbine des Niederdruckverdichters einer anderen Turbine in Reihe
nachgeschaltet, so empfiehlt es sich, den Niederdruckverdichter möglichst klein
zu wählen, so daß er sich leichter den Verhältnissen anpassen kann. Bei Parallelschaltung
seiner Antriebsturbine ist das aber nicht notwendig, da die Turbine sich von selbst
für die geeignete Drehzahl einstellt.
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Einige gemäß der Erfindung ausgeführte Anlagen sind in der Zeichnung
beispielsweise gezeigt. Es zeigen: Fig.i eine Gasturbinenanlage, in der beide Teile
der Anlage eine Doppelumlaufturbine enthalten, Fig. 2 und 3 weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, Fig. 4 bis 6 Kurven, die die Regelung der Turbinen zueinander erläutern.
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In Fig. i bezeichnet i eine Doppelurcnlaufturbine bekannter Art. Die
Turbinenwellen 2 und 3, die sich in entgegengesetzten Richtungen drehen und je einen
der Turbine i zugehörigen Turbinenläufer tragen, treiben außerdem jeweils einen
Verdichter. Diese Verdichter sind in Reihe geschaltet, wobei der auf der Welle 3
angebrachte Verdichter 4 ein Niederdruckverdichter und der auf der Welle 2 angebrachte
Verdichter 5 ein Hochdruckverdichter ist. Die zu verdichtende Luft tritt durch die
Leitung 6 ein und durch Leitung 8 vom Verdichter 4 zum Verdichter 5. An allen oder
einem Teil der Schaufelkränze des Verdichters ist eine Kühlvorrichtung 7 angebracht,
durch die die V erdichtungswärme abgeleitet wird. Die teilweise verdichtete Luft
wird durch die Leitung 9 vom Hochdruckverdichter 5 zu den Turbinen i und 16 geleitet,
die in bezug auf den Gasstrom parallel geschaltet sind, wodurch Treibmittel von
gleichem Druck und gleicher Temperatur den beiden Turbinen zugeführt wird. In der
Turbine i strömt das Gas durch das Schaufelsystem von der Mitte io der Turbine nach
außen zum äußeren Auslaßteil i i und zur Auslaßleitung 12. In der Leitung 9 ist
bei 13 eine Verbrennungskammer angeordnet. In die Brennkammer mündet bei 14 ein
Rohr 15 für einen z. B. flüssigen Brennstoff.
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Die Turbine i erhält ihr Treibmittel durch die Leitungen 31 und 32,
während die Nutzleistung abgebende Turbine 16 ihr Treibmittel durch die Leitungen
33 und 34 erhält. D,as Treibmittel tritt in der Mitte 17 der Turbine 16 ein und
strömt in bekannter Weise in radialer Richtung durch das Schaufelsystem, um schließlich
vom äußeren Teil der Turbine durch die Auslaßleitung 18 abgeleitet zu- werden. Während
der Strömung des Gases
durch das Schaufelsystem werden die Wellen
i9 und 2o in entgegengesetzten Richtungen angetrieben. Die Welle i9 trägt einen
Stromerzeuger 21, der hier im Schnitt dargestellt ist, während die Welle 2o einen
anderen Stromerzeuger antreibt, von dem nur das Gehäuse dargestellt ist. Da diese
elektrischen Maschinen vorzugsweise aus miteinander in Synchronismus arbeitenden
elektrischenWechselstromerzeuger bestehen sollten, sollte der die Nutzleistung abgebende
Maschinensatz bei allen Belastungen unveränderliche Drehzahl haben. Da die Verdichter
4 und 5, die unter sich nicht die gleiche Drehzahl zu haben brauchen, sondern mit
derart verschiedenen Geschwindigkeiten umlaufen können, wie es durch den Verdichtungsvorgang
bedingt ist, als besonderer Verdichterteil angeordnet sind, kann die Drehzahl der
Verdichter unabhängig von der Drehzahl des die Nutzleistung abgebenden Teils verändert
werden, und zwar je nach der für den verschiedenen Belastungsbedarf erforderlichen
Luftmenge.
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In Fig. 2 ist eine Ausführung gezeigt, die ebenfalls ;eine selbsttätige
Einstellung der verschiedenen Teile i#m Verhältnis zueinander ermöglicht. In diesem
Falle enthalten die beiden Teile, d. h. der Verdichterteil und der die Nutzleistung
abgebende Teil, jeweils eine Doppelumlaufturbine. Die Doppelumlaufturbine 6 ist
von oben beschriebener Art und treibt zwei Verdichter 4 und 5 an. Auch die Turbine
16 ist eine Doppelumlaufturbine von oben, beschriebener Art .und treibt zwei Stromerzeuger
2,1 und 22 an.
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Außerdem treibt eine einfachumlaufende Radialturbine 25 einen Verdichter
24 an und gehört zum Verdichterteil. Die zu verdichtende Luft tritt, wie vorher,
durch die Leitung 6 in den Niederdruckverdichter 4 ein und wird durch die Leitung
8 zum ' Mitteldruckverdichter 5 geleitet. Durch die Leitung 9 wird die verdichtete
Luft zum Hochdruckverdichter 24 übergeführt, von wo sie durch die Leitung 27 abgeleitet
wird. In der Verbrennungskammer 13 wird die Luft erwärmt und dann der Hochdruckturbine
25 zugeführt. Die Abgase der Hochdruckturbine 25 werden durch die Leitung 319 zur
Turbine 16 und von dort durch die Leitung i 12 zur Turbine 6 geführt. In diesem
Falle sind somit alle Turbinen in Reihe geschaltet. Die Nutzleistung abgebende Turbine
i6 ist somit eine Mitteldruckturbine, und die den Niederdruckverdichter antreibende
Turbine arbeitet als Niederdruckturbine.
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Gemäß Fig. 3 ist ein Hochdruckverdichter 24 mit einer Hochdruckturbine
70 gekuppelt. Die Hochdruckturbine erhält erwärmte Luft in_Form von Gasmischung
durch die Leitung 71 und gibt durch die Leitung 72 Gas sowohl an die Turbine 16
als auch an- die:Turbine i ab. In diesem Falle arbeiten beide. Doppelumlaufturbinen
als Niederdruckturbinen, wobei die Turbine i mit dem Nieder- und Mitteldruckverdichter
¢ bzw. 5 gekuppelt ist.
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Bei allen diesen Ausführungen enthält sowohl der Verdichterteil als
auch der Nutzleistung abgebende Teil eine Doppelumlaufturbine. Diese Doppelumlaufturbine
ist z. B. eine Turbine System Ljungström. Bei einigen der dargestellten Ausführungen
enthält der eine oder beide Teile der Anlage eine einfachumlaufende Turbine, die
bei einigen Ausführungen den Hochdruckverdichter treibt. Bei anderen Ausführungen
#uN:ieder gehören auch eine oder mehrere auf diese Weise geschaffene Mitteldruckturbinen
zu dem Nutzleistung abgebenden Teil, während die Niederdruckturbine zum Verdichterteil
gehört und mit Verdichtern für niederen Druck, besonderen Niederdruckverdichtern,
gekuppelt ist.
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Bei allen oben beschriebenen Ausführungen sind alle Einlaß- und Auslaßleitungen
der zur Anlage gehörenden Gasturbinen, in Richtung des Gasstromes gerechnet, entweder
in Reihe oder parallel geschaltet oder auch sowohl in der einen als auch in der
anderen Art, so daß die für den Belastungsbedarf erforderliche Gasmenge sich auf
die verschiedenen Turbinen in solchem Verhältnis verteilt, daß der Teil des Leistungsbedarfs,
der den Verdichtern zugeführt wird, die Erzeugung von Luft von solcher Menge und
solchem Druck sichert, daß die dem hTutzleistung erzeugenden Teil zugeführte Energiemenge
der Belastung dieses letztgenannten Teils entspricht. Es sollen nämlich, um die
größtmögliche Leistung erzeugen zu können, die verschiedenen Verdichtersätze verdichtete
Luft von nicht größerer Menge und nicht größerem Druck erzeugen als erforderlich
ist, damit der Nutzleistung abgebende Teil so große Leistung abgeben kann, «nie
es der Belastungsbedarf erfordert. Diese Forderungen werden nicht nur. bei normaler
Belastung der Anlage erfüllt, sondern auch bei anderen Belastungen. Damit eine Gasturbinenanlage
auch bei verschiedenen Belastungen wirtschaftlich sein soll, muß dein Verdichterteil
bzw. dem I*,Tutzleistung abgebenden Teil ein richtiger Anteil an Verbrennungsgasen
zugeführt werden, ohne daß außergewöhnliche Verluste entstehen. Bei gewissen Schaltungen
der Turbinen im Verdichterteil und dem Nutzleistung abgebenden Teile kann eine richtige
oder nahezu richtige Leistungsverteilung selbsttätig erzielt werden. Jedoch ändert
sich diese Schaltung je nach der Art der Erwärmung; der Verbrennungsluft.
Um
die Erfindung weiter klarzustellen, wird wieder auf Fig. 2 hingewiesen. Gemäß dieser
Figur enthält das Treibmittel in der Leitung hinter der Verbrennungskammer
13
bei einer gewissen Temperatur und einem gewissen Druck einen gesamten Energiebetrag,
welcher auf den Nutzleistung abgebenden Teil im gewissen Verhältnis zum Verdichterteil
verteilt werden soll. Die Größe dieses Verhältnisses zur Erzielung des besten Wirkungsgrades
für die Gasturbine bei verschiedenen Drücken im Treibmittel ist in Fig. q. veranschaulicht,
in der die Kurve k in ein Koordinatensystem eingezeichnet ist, in welchem die Abszisse
P gleich dem Druck und die Ordinate gleich dem Verhältnis zwischen Nutzleistung
und Verdichterleistung ist. Wenn z. B. eine Höchstbelastung einem Arbeitsdruck von
z. B. ca = 15 kg /em2 entspricht, erhält man ein gewisses Verhältnis zwischen
der Nutzleistung und der Verdichterleistung = Ne/Nk = C. Wird z. B. der Druck auf
b = 7,5 kg/cm2 gesenkt, erhält man eine niedrigere Belastung der Nutzleistung abgebenden
Turbine unter der Voraussetzung, daß der Durchströmungsquerschnitt der Turbine nicht
verändert wird. In derselben Weise vermindert sich der Druck der Verdichterturbine,
doch nicht in demselben Grade wie die Belastung der Nutzleistung abgebenden Turbine.
Das Verhältnis zwischen Ne und Nk erhöht sich somit auf den Wert d. Hieraus geht
hervor, daß die durch die Turbinen strömende Gasmenge ungefähr halb so groß wird
wie vorher, während gleichzeitig das Wärmegefälle auf Grund des niedrigeren Druckes
geringer wird. Der thermische Wirkungsgrad der gesamten Anlage wird natürlich"trotz
größeren Wertes für Ne/Nk vermindert. Eine solche Regelung kann selbsttätig erzielt
werden,. wenn z. B. ein Verdichterteil, besonders dessen Niederdruckteil, hinter
eine oder mehrere Turbinen in dem Nutzleistung abgebenden Teil geschaltet wird,
wodurch auf Grund dessen, daß das Wärmegefälle in der - letzten Turbine am meisten
vermindert wird, das Verhältnis Ne/Nk erhöht wird. Wird Wasser in die Verbrennungskammer
eingespritzt, so treten dieselben Verhältnisse ein. In den meisten Ausführungen
sollte das Verhältnis Ne/Nk größer sein, was aus Fig. 5 hervorgeht.
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Auch in diesem Falle mit Wassereinführung sollten daher die Verdichter,
besonders solche, die bei niedrigerem Druck arbeiten, von Turbinen getrieben werden,
die von dem 1lTutzleistung abgebenden Teil Gas erhalten.
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Fig.6 zeigt das Verhältnis zwischen Ne und Nk, wobei das Gas zwischen
den verschiedenen Turbinen wieder erwärmt wird, d. h. wenn eine Wiedererwärmungsvorrichtung
der Gase in der Leitung 112 in Fig. a zwischen den Turbinen 16 und 6 angeordnet
sein sollte. Aus Fig.6 ist ersichtlich, daß die Kurve, welche diesem Verhältnis
entspricht, zuerst mit erhöhtem Druck steigt und sich dann nicht nennenswert verändert.
Das Verhältnis zwischen Ne und Nk ist somit bei hohem Druck einigermaßen unverändert,
nimmt jedoch bei niedrigerem Druck ab. Damit das Verhältnis zwischen den genannten
Leistungen dieser Kurve folgen soll, müssen die Turbinen der Anlage so geschaltet
werden, daß die N iederdruckturbinen parallel geschaltet sind, in welchem Falle
die Gasmengen so verteilt werden, daß die erforderlichen Leistungen in den Turbinen
erzielt werden.
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Wenn somit eine Gasturbinenanlage von der Leistung, für welche sie
entworfen ist, auf eine geringere Leistung eingestellt werden soll, wird der Grad
der Erwärmung der Gase entsprechend der Belastung der Anlage vermindert. Wenn die
Turbinen so geschaltet sind, daß das Verhältnis Ne zu h'k mit den beschriebenen
Kurven übereinstimmt, wird die Temperatur der Gase für einen Augenblick niedriger.
Das Gas erhält somit in diesem Augenblick geringeren Energiegehalt infolge geringerer
Erwärmung und nicht infolge Verminderung des Luftdruckes und der Luftmenge, was
erst im nächsten Abschnitt eintritt. Die Nutzleistung ab= gebende Turbine nimmt
von dem gesamten Effektgehalt der Gase so viel, daß dieser Teil der Anlage unter
Beibehaltung der Umdrehungszahl diejenige Leistung abgibt, die der Belastung der
Anlage entspricht, wobei der Erwärmungsgrad gerade dieser Belastung entspricht und
so viel Energie in den Gasen übrigläßt, daß die Umdrehungszahl des Verdichterteils
so weit heruntergeht, daß man Verbrennungsluft von solcher :eienge und solchem Druck
erhält, daß die Gase ungefähr die Temperatur annehmen, die das Treibmittel bei normaler
Belastung hat. Der niedrigere Energiegehalt im Treibmittel wird in dem letzteren
Abschnitt, wenn die Anlage im Dauerzustand ist, dadurch verursacht, daß die Gase
niedrigere Temperatur annehmen. Der Energiegehalt des Treibmittels hängt somit von
der Menge des Gases ab und auch von der Temperatur, auf welche das Gas erwärmt wird.
Durch Regelung der Turbine wird somit für einen Augenblick der Erwärmungsgrad der
Gase erhöht oder vermindert, so daß ein gewisser, der Belastung entsprechender Wärmegehalt
in den Gasen vorhanden ist. Die Anlage stellt sich selbsttätig derart ein, daß ein
Gas mit demselben Energiegehalt erhalten wird, was durch geringere Menge und geringen
Druck der Gase
von der ursprünglichen Temperatur verursacht wird.
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Für die oben beschriebenen Ausführungen sind zur Erreichung einer
solchen Energie y verteilung auf die Turbinen verschiedene Schaltungen der Turbinen
in bezug auf die Richtung des Gasstromes gezeigt worden, wobei jedoch erfindungsgemäß
in keinem Falle eine Gasturbine mit niedrigerem Gegendruck arbeitet als die den
Niederdruckverdichter antreibende Gasturbine. Die Schaltungsmöglichkeiten schwanken
sonst je nach Art der Gasmischung und hängen somit davon ab, ob- Wasser in die Gasmischung
eingespritzt wird oder ob die Verbrennung mit L uftüberschuß vor sich geht. Gewisse
andere Schaltungen sind zweckmäßig bei Anlagen, bei denen das Gas zwischen den verschiedenen
Turbinen wiedererwärmt wird. Da jedoch die gleiche Schaltung in ge-,vissen Fällen
die Anwendung verschiedener Gasmischungen oder verschiedener Arten für deren Wiedererwärmung
ermöglicht, sind die hier beschriebenen Ausführungen auch für Verbrennung nach anderen
Verfahren anwendbar. In gewissen Ausführungen sind die Turbinen einer bestimmten
Art angegeben, doch ist die Erfindung natürlich nicht von .der Ausführung der zu
verwendenden Turbinen abhängig.
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Da Untersuchungen ergeben haben, daß es zweckmäßig ist, Schaufelsysteme
in mehrere Teile zu teilen, besonders in Fällen, bei denen wiedererwärmtes Gas als
Treibmittel verwendet wird, kann der Hochdruckteil der Anlage aus einer oder mehreren
in Reihen geschalteten Turbinen bestehen. Dies trifft auch für die Niederdruckturbinen
zu. Teile von solchen Turbinen können natürlich als Mitteldruckturbinen betrachtet
werden.
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Bei sämtlichen Ausführungen ist das Treibmittel der Gasturbinenanlage
als aus in Verdichtern verdichteter Luft bestehend angesehen, die durch innere Verbrennung
und gegebenenfalls unter Hinzufügung von Wasser erwärmt wird. Indessen ist die Erfindung
nicht auf Gasturbinenanlagen mit in dieser Weise zusammengesetztem Treibmittel begrenzt,
sondern das Treibmittel kann auch aus einem verdichteten, brennbaren Gas bestehen,
wobei die Verbrennung durch Einführung von Luft oder einem anderen Gas in den verdichteten
Gasstrom erfolgen kann. Auch in diesem Falle läßt es sich denken, daß Wasser dem
Gas zugeführt wird. Es lassen sich ferner Ausführungen denken, bei denen Luft oder
einem anderen Gase durch eine äußere Erwärmungsvorrichtung Wärme zugeführt wird.
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Bei sämtlichen oben beschriebenen. Ausführungsbeispielen enthält ein
Teil der Anlage nur Verdichter und ein anderer Teil nur elektrische Maschinen. Es
lassen sich jedoch auch Ausführungen denken, bei denen Kraft, besonders zeitweilig,
auch dem Teil entnommen werden kann, der Verdichter treibt, und ferner, daß ein
oder mehrere Verdichter auch an dem Teil angebracht werden können, der Nutzleistung
abgibt.